改進(jìn)模擬環(huán)形山形成的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

陳晨 蔣曉妍

模擬環(huán)形山的形成是小學(xué)科學(xué)重要的模擬實(shí)驗(yàn)之一，其目的在于讓學(xué)生了解月球表面的環(huán)形山是由隕石撞擊形成的，目前的實(shí)驗(yàn)方法存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不清晰、模擬效果不佳等問題。針對上述問題，對模擬環(huán)形山的形成實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，通過使用過篩的沙子模擬月球表面的疏松結(jié)構(gòu)，再在其表面覆上黏土以使撞擊時(shí)能夠看到清晰的輻射紋，能夠形成典型的環(huán)形山結(jié)構(gòu)。

月球是距離地球最近的天體，從古到今，科學(xué)家們對月球進(jìn)行了持續(xù)不斷的研究。對于月球表面的描述，也經(jīng)歷了一個(gè)發(fā)展的過程，古希臘哲學(xué)家阿那克薩格拉（Anaxagoras）第一個(gè)提出月球是巖石結(jié)構(gòu)，并且月亮反射太陽的光，他還根據(jù)想象描述了月亮上的山和居民。1609年，伽利略利用自己動手制作的30倍望遠(yuǎn)鏡觀察到月球表面布滿了大大小小的圓形山脈，并將其命名為環(huán)形山。伽利略根據(jù)對地球環(huán)形山的觀察，推測這些環(huán)形山是由火山噴發(fā)形成的。直到美國地質(zhì)學(xué)家巴林杰（Barringer，Daniel Moreau）根據(jù)對美國亞利桑那州的巨型環(huán)形山的研究，提出了隕石撞擊說，才引發(fā)了人們對于月球環(huán)形山形成的重新思考。今天，隕石撞擊說成了月球環(huán)形山形成的主流解釋。真實(shí)的月球環(huán)形山大多是淺盤狀，并且周圍有擴(kuò)散的輻射紋，以著名的第谷環(huán)形山為例，其直徑約85千米，深4850米左右，并且輻射紋長達(dá)1800千米。

描述月球表面的概況是小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中地球與宇宙領(lǐng)域三四年級的學(xué)習(xí)目標(biāo)之一。模擬環(huán)形山的成因是了解月球表面概況的重要內(nèi)容。通過模擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察發(fā)現(xiàn)撞擊所形成的淺盤狀撞擊坑與火山的錐體形態(tài)之間的不同，從而在伽利略的火山說與巴林杰的隕石撞擊說之間進(jìn)行判斷選擇。但是，受材料和裝置的影響，在實(shí)際教學(xué)的時(shí)候，實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。

因此，有必要對模擬環(huán)形山的形成實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全面分析和改進(jìn)：一是研究現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析其在教學(xué)中的不足;二是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)，確定最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)材料和裝置;三是根據(jù)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。

一、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）實(shí)驗(yàn)意圖

以蘇教版小學(xué)科學(xué)四年級下冊為例，第5課《月球》中有關(guān)于探究月球表面環(huán)形山成因的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)希望通過石子下落所形成的沖擊力，在沙子上形成凹坑，來模擬月球表面受到隕石撞擊，形成環(huán)形山。并且，利用不同高度和不同大小的石子下落所呈現(xiàn)的效果來模擬不同大小的環(huán)形山的形成，引導(dǎo)學(xué)生理解環(huán)形山的大小與隕石的大小和撞擊的速度有關(guān)（如圖1）。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（三）實(shí)驗(yàn)效果

根據(jù)教材中的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別利用細(xì)沙與面粉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1，效果如圖2。

二、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)問題分析

在實(shí)際教學(xué)中，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)無論是用細(xì)沙還是面粉，疏松的程度都不足，在石子掉落的過程中，很難形成圓形的環(huán)形山結(jié)構(gòu)。尤其是用不規(guī)則形狀的石子的時(shí)候，凹坑形狀和石子形狀相同。相同大小的石子在不同高度落下的時(shí)候，效果基本相同，無法呈現(xiàn)對比效果。細(xì)沙與均不能形成清晰的輻射紋。

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，在教學(xué)的過程中，學(xué)生容易形成如下錯(cuò)誤概念：

·環(huán)形山的大小與隕石大小大致相同，與速度無較大關(guān)聯(lián)。

·隕石都是球形或近似球形的，所以，環(huán)形山才是圓形的。

·缺乏對于月球表面輻射紋的認(rèn)識。

模擬環(huán)形山的成因是一個(gè)典型的模擬實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)在于利用實(shí)驗(yàn)器材模擬隕石撞擊月球表面，形成環(huán)形山的結(jié)構(gòu)。學(xué)生需要觀察模擬形成的環(huán)形山的結(jié)構(gòu)，與真實(shí)的月球環(huán)形山進(jìn)行對比。但是，教材卻加入了兩個(gè)不同條件的對比實(shí)驗(yàn)，這兩個(gè)對比實(shí)驗(yàn)指向的問題是環(huán)形山的大小與哪些因素有關(guān)，卻忽視了學(xué)生細(xì)致觀察實(shí)驗(yàn)效果、將其與真實(shí)月球表面進(jìn)行對比的過程。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)效果不佳的主要原因是，無論細(xì)沙還是面粉，結(jié)構(gòu)的疏松程度都不足，很難在石子下落的有限沖擊下，形成環(huán)形結(jié)構(gòu)。

針對以上問題，對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行如下改進(jìn)：

·將托盤改為10厘米深的塑料收納盒，可以鋪設(shè)更加厚實(shí)的材料，更大更深的收納盒也會減少材料的濺撒，保障實(shí)驗(yàn)衛(wèi)生。

·采用更加疏松的低筋面粉，并且利用細(xì)網(wǎng)篩，一層層地將面粉篩入收納盒中，面粉厚度在6厘米到8厘米左右。

·在篩好的面粉上，用細(xì)篩網(wǎng)薄薄地篩上一層黏土。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2，效果如圖3。

四、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

（一）能夠形成四周凸起的環(huán)形結(jié)構(gòu)

原有的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樯匙雍筒贿^篩的面粉的疏松度不足，在接收到?jīng)_擊的時(shí)候，難于形成比較明顯的環(huán)形結(jié)構(gòu)，通常什么形狀的石塊就會砸出什么形狀的坑，很難通過石塊下落時(shí)候的沖擊波，將模擬月球表面推出一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)出來。而過篩之后的低筋面粉更加疏松，覆蓋在面粉上的過篩黏土的顆粒也非常小，在石塊下落的過程中，能夠被沖擊波所作用，推出一個(gè)比“月球”表面略高的環(huán)形結(jié)構(gòu)。因?yàn)楸砻媸潜粵_擊波推出的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所以，不管是什么形狀的石塊，都會形成一個(gè)比本身直徑要大一些的凹坑。在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，因?yàn)槊娣蹖颖容^疏松和厚實(shí)，石塊會整體陷入面粉中，保留表面的凹坑，比較好地還原了隕石撞擊月球表面的過程。

（二）顯著的輻射紋更有利于學(xué)生觀察

輻射紋是科學(xué)家在觀察月球時(shí)比較重要的發(fā)現(xiàn)，巨大的輻射紋也是隕石撞擊說的重要證據(jù)，科學(xué)家通過對于輻射紋的研究，可以了解隕石撞擊的角度、能量等重要數(shù)據(jù)。我們在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，同一材質(zhì)很難有效地表達(dá)出輻射紋的拋撒飛濺。通過黏土與面粉的組合，在石塊撞擊之后，飛濺出來的白色面粉落在黃色的黏土上，可以非常清晰地顯示出放射狀的輻射紋，有效地模擬了太空中的隕石高速撞擊月球表面的場景，便于學(xué)生觀察。

（三）實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)

在實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的基礎(chǔ)上，筆者進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)的調(diào)整，簡化了實(shí)驗(yàn)的過程，讓學(xué)生專注于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)行分析比對，給出解釋。

教學(xué)片段：

師：當(dāng)時(shí)，伽利略認(rèn)為環(huán)形山是由月球上的火山噴發(fā)形成的，可是過了一些年，人們又在地球上發(fā)現(xiàn)了這個(gè)隕石坑，有人提出了環(huán)形山是由隕石撞擊而成的。

師：你們同意哪種說法？

生：我認(rèn)為是隕石撞擊形成的。

師：為了驗(yàn)證我們的觀點(diǎn)，我們來做個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)。

出示收納盒，里面放了一些面粉和黏土來模擬月球表面。老師為大家提供一塊石頭用來模擬隕石，請大家站起來，將石頭丟在盒子里，觀察月球表面的變化。請注意，是丟在盒子里，不是砸。

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

師：請大家仔細(xì)觀察你們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對比屏幕上的月球環(huán)形山，比較一下，有什么相同的地方？

生：我發(fā)現(xiàn)，石塊下落的過程中，產(chǎn)生了沖擊波，將面粉推成了一個(gè)環(huán)形，這個(gè)環(huán)形比周圍稍微高一點(diǎn)點(diǎn)。

生：我發(fā)現(xiàn)面粉飛濺出去，形成的紋路和月球環(huán)形山周圍的紋路非常相似。

生：我發(fā)現(xiàn)，不管是什么形狀的石頭，形成的環(huán)形山都是圓形的，和月球上的很相似。

師：這樣的環(huán)形山有沒有可能是火山噴發(fā)形成的呢？

生：火山都比較高，火山口都比較小，和月球上的環(huán)形山不太一樣，我覺得月球的環(huán)形山應(yīng)該是由隕石撞擊形成的。

在這個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)中，學(xué)生通過進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，通過觀察凹坑的結(jié)構(gòu)與輻射紋的形成，與月球表面圖片進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)用我們模擬的隕石撞擊月球表面比較符合月球表面的實(shí)際情況，從而能夠得出月球上的環(huán)形山形成原因的解釋。

模擬實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生在探究的過程中，通過建模、觀察，更有效地發(fā)現(xiàn)事物的內(nèi)在規(guī)律。通過模擬環(huán)形山成因?qū)嶒?yàn)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，可以使實(shí)驗(yàn)效果更加接近真實(shí)，增加實(shí)驗(yàn)效果與真實(shí)情況之間的關(guān)聯(lián)度，增強(qiáng)了模擬實(shí)驗(yàn)的可信度，讓學(xué)生可以通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果找出規(guī)律，有利于學(xué)生形成正確的科學(xué)概念。